湿地环境中负（氧）离子研究概述

朱怡诺 ，崔丽娟 *，李 伟

（1.中国林业科学研究院湿地研究所，北京 100091；2.湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091；3.北京汉石桥湿地生态系统国家定位观测研究站，北京 101399）

近年来，人们愈加注重空气质量的健康防护，被誉为“空气维生素”的负氧离子在空气质量评价中被经常提及，逐渐被大家所关注。同时，生态旅游行业的发达也使得健康的湿地环境越来越受到公众的欢迎。空气负（氧）离子作为湿地生态系统的重要生态服务产品之一，也成为各级政府和公众关注的热点，开展湿地环境中负（氧）离子的监测研究，对增强人们对湿地生态质量的认识，完善我国当前环境监测的相关指标及体系等具有十分重大的意义。

1 基本概念

大气分子或原子通过化学反应和物理变化的综合作用产生空气负离子。在正常情况下，气体分子及原子内的正负电荷相等，但在宇宙射线、电磁波、岩石和土壤的射线等外界电离源以及各类气象活动等外力作用下，大气中的某些气体分子和原子失去外层电子，成为自由电子，游离的自由电子又会与其他中性分子相结合，使这些气体分子带负电荷，被称为“空气负离子”（王薇和余庄，2013）。这些中性分子对于自由电子的吸附能力不同，氧气分子更具亲电性，空气电离产生的自由电子大部分被氧气分子获得，形成小的负氧离子团，这就是通常所说的“负氧离子”（邵海荣等，2000）。负氧离子属于负离子的一种，但在目前负氧离子相关研究中，并没有区分出负离子与负氧离子，相关行业标准（LYT 2586-2016）将带有负电荷的单个的气体分子及轻离子团进行定义，统称为负（氧）离子。

2 湿地环境中负（氧）离子产生机理

关于自然界中负（氧）离子的产生有众多研究，但在湿地环境中空气负（氧）离子的产生主要有以下机理：

（1）植物效应：湿地植物可进行光合作用，形成光电效应，从而使空气电离而产生负离子；许多植物的茎、皮、叶等器官或组织分化成针状结构，发生“尖端放电”作用为诱导产生负（氧）离子（彭辉武等，2013）。此外，一些植物所分泌出的萜烯类和芳香类物质能促使空气电离产生丰富的负（氧）离子（王薇和余庄，2013）。

（2）Lenard效应：湿地环境中暴雨、瀑布的冲击等使水分子发生碰撞破裂失去电子，而周围空气中的氧分子捕获这些电子而成为负（氧）离子（邵海荣等，2005）。一般来说，水流速越大，Lenard效应越强（厉曙光等，2000；王薇，2014）。

（3）放射性物质诱导：大气中的氧分子受太阳紫外线、宇宙射线和土壤中放射性元素物质等因素诱导发生电离，生成负 （氧）离子 （王薇和余庄，2013）。一般来说，湖泊、沼泽等湿地类型受太阳辐射直接影响程度较大（单晟烨，2016）。

（4）其他：闪电、雷暴、雪暴、风暴以及其他形式的放电现象以及雨水的分解等都能在空气中诱发负离子，从而增加空气负（氧）离子的浓度（胡国长，2008）。

3 负（氧）离子观测技术

目前，国家林业局针对负（氧）离子的浓度监测发布了《空气负（氧）离子浓度观测技术规范》、《空气负（氧）离子浓度监测站点技术规范》等林业行业标准；作为国家标准，《空气离子测量仪通用规范》也对湿地环境中空气负（氧）离子浓度监测设备、方法等有了指导作用。

3.1 观测设备

空气负（氧）离子设备需执行《大气负离子自动观测仪功能规格需求书（第2版）》（气测函[2016]19号）标准。湿地环境中负（氧）离子观测设备可分为固定式和移动式。固定式监测设备可常年固定安装在需要进行监测的场地，全天24h持续地自动采集空气负（氧）离子浓度数据；移动式监测设备在监测场内由人工操作，监测完毕带回室内保管。国家林业局在2016年发布了以固定监测为主要监测设备的《空气负（氧）离子浓度监测技术规范》行业标准。

空气负离子的浓度表示为：1cm3空气中所含有的负离子的数量，单位为“cm-3”。国内景区内空气负氧离子监测使用的仪器种类繁多，主要包括日本生产的KEC系列负（氧）离子测试仪，美国的AIC系列负离子检测仪，目前国产负氧离子监测仪器应用逐渐增多，主要有DLY系列、EP系列大气离子测量仪等（王薇等，2013）。测定原理是空气通过吸气机，均匀穿过离子收集器，此时对离子收集器的极化板施加一定的电压，从而形成电场，使得空气负离子在电场力的作用下偏向收集板并撞击，从而产生放电效应形成电流，再通过电流检测电路检测该电流，再换算出负（氧）离子浓度（周慧萍，2016）。

3.2 观测方法

一般来说，负（氧）离子的监测仪器应该置于距离地面的垂直高度为1.4m的位置，大体与成年人在标准姿态下的呼吸高度相同。固定式负（氧）离子浓度监测设备观测采集频率以1条数据组/min计，全天24h连续自动采集。对于便携式设备，目前大多数研究学者常规采用统一观测点的不同方位，即每个测量点选取2-4的方向，每个方向读取3-5个峰值并记录，分析其平均值（邵海荣等，2005；关蓓蓓，2015；单晟烨，2016）。

4 湿地环境中负（氧）离子浓度影响因素

湿地的类型较多，植被与水体的面积十分广泛。通过归纳湿地环境中负（氧）离子的产生机理，分析湿地环境中负（氧）离子的浓度受植被、水体特征、气象要素、环境因子等因素影响。

4.1 植被

有研究表明，生物多样性与空气负离子浓度呈正相关。组成结构较为复杂的植物群落比单层结构植物群落能产生更多的负（氧）离子（吴志萍等，2007）。此外，光照强度的不同，植物光合作用强度也会发生改变，从而对周边空气负离子浓度产生影响（Wang et al，2009）。在湿地环境中，植物是产生负（氧）离子的重要因素之一。但若湿地植物生长密度过高，导致区域环境内与周边区域间的空气流通性较差，空气负离子迁移率较低，也造成湿地环境产生和积累空气负离子的作用较弱（单晟烨等，2015）。

4.2 水体特征

环境中有无水体对空气负（氧）离子浓度影响显著（季玉凯，2007）。由于水体的蒸发效应，容易形成相对湿度比较高的微环境，于是水分子容易将悬浮的颗粒物进行包裹，并使其下坠，因此，空气中的负离子得以存活更长的时间，并积累更多的数量。在湿地环境中，水体状态、水域面积、水域距离等因素对负（氧）离子浓度有一定影响。

不同水体形态的空气负（氧）离子浓度不同，单晟烨等（2016）的实验结果表明，在河流、湖泊湿地等水域环境中，Lenard效应比较强的水岸地带是空气负氧离子分布的主要区域；对于湖泊、沼泽等静态水体区域中的空气负离子，其分布差异不甚显著，而瀑布、河流等动态水体区域中，空气负离子的分布呈现着十分显著的差异性。瀑布、跌水等动态水体环境的产生的负离子明显多于湖泊等静态环境，流水速度对江河、溪流产生负离子的效率也有一定的影响（张兵等，2016；季玉凯，2007）。

距离水体的远近也会对湿地负离子浓度产生较大的影响，湿地对城市局部环境具有明显的增加负（氧）离子浓度的作用，且距离湿地越近，负（氧）离子浓度增加越明显（崔丽娟等，2015）。也有研究表明，水域面积的大小与空气负离子浓度呈正相关（吴楚材等，2001；季玉凯，2007；关蓓蓓，2015）。

4.3 气象因子

气象要素表示为某空间位置在特定的时间气候情况下的大气变量或现象，如温、压、湿、风、降水、雷电，目前对于气象因子与空气负（氧）离子浓度相关性的研究比较多，但结论并不统一。

4.3.1 温湿度

多数学者认为空气负（氧）离子浓度与空气温度呈显著负相关，与空气湿度呈显著正相关（吴楚材等，2001；张双全等，2011；吴作明等，2011）。 也有人截然不同的意见，认为空气负离子浓度与土壤、空气温度呈正相关，与相对湿度呈负相关（邵海荣等，2000；叶彩华等，2000）。季玉凯（2007）的实验结果表明，在一定的范围内，空气的温湿度越大，空气负（氧）离子的浓度也会随之越来越大，在温湿两方面同时产生变化的情况下，空气中负（氧）离子的变化率也会增加。也有实验结果表明不同季节负（氧）离子浓度与温湿度相关性也会发生改变（Laakso L，2003），但变化并不明确（韦朝领等，2006；王薇等，2013；单晟烨，2016）。 这可能是受到研究样地的差异，样地所在地的气象条件不同等原因所导致的，也有待于进一步的研究。

4.3.2 风速

对于风的流速与空气负（氧）离子浓度的关联性同样存在不同观点。相关研究表明，不同湿地类型中，风速和空气负（氧）离子的浓度的相关性也存在不同。单晟烨（2016）对湖泊、沼泽、河流、瀑布等环境中的负（氧）离子进行相关性研究分析，沼泽和河流环境中，风的流速与负（氧）离子的浓度变化呈现为极其明显的正向相关性，而湖泊环境中，负（氧）离子浓度则与风的流速形成负向关联，瀑布中风速与空气负（氧）离子没有明显的关联性。厉曙光等（2000）对喷泉附近的负（氧）离子同局部气象之间进行分析结果表明，风速同负离子浓度有弱相关性。也有学者认为负（氧）离子浓度和风速没有相关性（夏玲摇等，2017；黄世成等，2012）。 大部分学者认为风速对空气离子的影响机制比较复杂（张志永等，2014；金琪等，2015）。

4.3.3 降水

之前学者的研究大多表示，降水情况与空气负离子的浓度变化有着明显的关联。不同天气情况下空气负离子浓度水平依次为雨天高于晴天高于阴天 （徐猛等，2008；张宝贵等，2009；李吉玫等，2013）。骆世娟等（2011）对艾溪湖湿地公园进行负（氧）离子浓度检测，结果显示降水量跟负离子含量成正比态势。赵艳佩（2014）认为在刚刚降雨结束之后的一段时间里，空气负离子浓度比晴空万里和阴云密布的天气都明显要高。

4.3.4 雷电

有研究学者监测到雷雨过后空气负离子浓度的增幅明显，负（氧）离子浓度与雷电活动正相关（黄文鑫，2009；曹建新等，2017）。 这是因为雷电有着电离作用，而空气负离子可以由电离作用进行大量的产生，在相对较短的时间里，其产生的空气负（氧）离子量要远大于降雨过程中所产生的量。

4.4 空气污染物

空气负离子浓度与环境污染程度相关性研究较多。空气中悬浮物颗粒、温室气体浓度以及其他大气污染物浓度均与负离子浓度呈显著的负相关（V.S.Sawant et al，2010； 金琪，2015）。 张宝贵等（2009）对北戴河湿地负（氧）离子分布规律进行研究，认为负（氧）离子的浓度与该区域里PM10的浓度有着负相的关联性，同一空间内，PM10的浓度若比较高，则负（氧）离子的浓度就会比较低；施巍峰（2014）对崇明岛湿地公园进行负（氧）离子的检测，其结果表明负（氧）离子的浓度和大气的污染程度呈反比，超量的人类生活生产活动及汽车尾气使得大气环境中颗粒悬浮物及CO2的增加，这些污染物的吸附负作用会导致负氧离子浓度的下降。

5 问题与展望

5.1 存在问题

空气负（氧）离子所具有的医疗保健作用被广泛关注，不同环境中空气负（氧）离子的相关研究逐渐增多，大部分研究主要侧重于不同地点 （水体、森林、城市等）的时空分布规律及其影响因素。人们认识到空气负（氧）离子影响着森林环境，并且对城市化过程导致的城市气体条件及生态环境等的消极影响进行着有效改善，但是针对于湿地环境中的空气负（氧）离子的相关研究还处于比较不足的状态。

目前，湿地环境中空气负（氧）离子测试方法没有统一的规范，湿地环境较为复杂，影响空气中负（氧）离子浓度的因素众多，目前的检测技术和设备尚无法定量区分不同来源或途径的空气负（氧）离子比例。植物作为产生空气负（氧）离子的重要要素，目前并没有相关研究从机理上定量揭示湿地植被对湿地环境中空气负（氧）离子的贡献。

5.2 展望

空气负（氧）离子测量仪器较灵敏，数值变化较大不稳定，要进一步改进现有空气负（氧）离子测量仪器，使其可以在各类的旅游条件之下进行监测。随着生态旅游业的发展，湿地环境愈加受到人们的喜爱和欢迎。在湿地环境中利用空气负（氧）离子的分布特点和影响因素等方面开展观测研究，重点在于从光合生理过程方面，定量研究湿地中植物的光合作用的强度对空气负（氧）离子浓度所产生的贡献；研究湿地环境中空气（负）氧离子的运动特征、发生机制以及与空气质量的关系，从而为综合评价湿地生态环境状况提供客观依据，并为今后的湿地规划和环境的治理与保护提供科学理性的依据和规划思路。

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